高頻模塊化UPS及其并聯控制技術研究.pdf

1、實現UPS電源系統(tǒng)的模塊化、智能化、綠色化和高效節(jié)能是UPS電源系統(tǒng)的發(fā)展方向。實現UPS電源模塊化的關鍵是逆變器的并聯控制技術。按照模塊化的概念進行UPS電源系統(tǒng)設計、實現高輸入功率因數和在線熱插拔并聯運行要解決控制上的很多問題，在工程方面也需要解決一系列的技術問題。一定意義上講，解決好工程問題也是理論研究結果走向實際應用的重要一環(huán)。本文在實現UPS電源系統(tǒng)的模塊化、智能化、數字化、高頻化和綠色化方面開展了一些研究工作，針對采用分散邏

2、輯并聯控制策略的高頻模塊化UPS電源并聯系統(tǒng)進行了詳細的理論分析和實驗研究。本文提出了一種新型雙Boost-PFC變換器的拓撲結構解決現有的雙Boost-PFC變換器由于兩個變換器之間存在耦合導致的兩路輸出直流母線電壓不平衡問題。通過對這種新型雙Boost-PFC變換器拓撲結構的工作模式研究，指出在拓撲結構上可以等效為兩個彼此獨立的Boost-PFC變換器。這兩個等效變換器分別工作在市電的正負半波，這種彼此獨立的Boost變換器為實現輸

3、出直流母線電壓的解耦控制、獲得高輸入功率因數的同時得到穩(wěn)定對稱的雙直流母線電壓輸出奠定了基礎,并為后級半橋逆變器提供對稱的直流電壓。本文建立了Boost變換器的數學模型和多臺逆變器并聯系統(tǒng)的數學模型。在對多機并聯系統(tǒng)數學模型進行研究的基礎上，提出了并聯逆變器之間的有功環(huán)流和無功環(huán)流與逆變器的輸出阻抗、逆變器的輸出電壓幅值、相位之間存在復雜的耦合關系。指出這種固態(tài)逆變器的并聯與傳統(tǒng)發(fā)電機并網系統(tǒng)有很大的不同，因此在并聯逆變器均流控制策略上

4、不能照搬電力系統(tǒng)中發(fā)動機的功率調節(jié)特性。本文提出了基于本文研究的新型拓撲結構的雙Boost-PFC變換器的控制策略。該控制策略采用具有滯環(huán)控制的電流內環(huán)和PI控制的電壓外環(huán)的獨立雙環(huán)雙回路控制，理論分析表明，兩套彼此獨立的雙回路控制系統(tǒng)分別對兩路直流母線電壓輸出進行單獨控制，從而有效地解決了雙Boost-PFC變換器輸出直流母線電壓的耦合問題。在理論分析的基礎上，進行了實驗研究，實驗結果表明，該控制策略可以獲得比較好的控制效果。針對傳統(tǒng)

5、控制策略下Boost-PFC變換器產生輸入市電電流失真和不能獲得單位功率因數的缺點，研究了一種新型的采用電流前饋控制策略的Boost-PFC變換器的II控制方案。仿真研究表明，采用電流前饋控制策略以后可以補償過零點失真。本文提出了基于新型拓撲結構的高頻鏈UPS實現模塊化并聯運行的控制策略。該控制策略包括高頻逆變器的并聯均流控制、內/外同步控制、實現模塊化UPS在線熱插拔的綜合切換邏輯控制、旁路控制策略、模塊化并聯UPS電源的沖擊與短路保

6、護和過載保護綜合切換邏輯等。按照模塊化概念設計的逆變器進行帶電工作狀態(tài)下的熱并入和熱退出（熱插拔）必須有相應的控制策略和實現模塊化高頻UPS電源在線熱插拔的切換邏輯。本文詳細研究了并聯逆變器實現熱插拔的內/外同步切換控制策略、均流控制策略和逆變器在線熱插拔的并聯邏輯切換策略、旁路控制策略，為逆變器在熱并聯的過程中實現逆變器的同步、正常并聯切換、負載均分控制奠定了基礎，確保了逆變器并機系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。在進行理論研究的基礎上，以六臺單

7、機功率為3KVA的高頻模塊化UPS電源為實驗樣機，對采用上述控制策略的多模塊UPS電源的并聯控制系統(tǒng)進行了實驗研究。實驗結果表明：處于并聯運行狀態(tài)的高頻模塊化UPS電源的并聯穩(wěn)定性、并聯模塊之間的負載電流均分能力、動態(tài)熱并聯的穩(wěn)定性和多模塊并聯系統(tǒng)的動態(tài)邏輯切換穩(wěn)定性等均比較理想。本文提出了基于滑模變結構控制的逆變器并聯控制策略和滑模變結構控制（SMC）與傳統(tǒng)PID控制相融合的逆變器并聯控制策略。通過對滑模變結構控制在逆變器并聯系統(tǒng)中應

8、用的理論研究，給出了離散滑?？刂魄袚Q函數，推導出切換函數的控制方程，并進行了仿真研究，仿真結果表明采用SMC控制的逆變器并聯系統(tǒng)具有良好的快速響應性能，但存在穩(wěn)態(tài)高頻震蕩。采用滑模變結構控制（SMC）與傳統(tǒng)PID控制相融合的逆變器并聯控制策略，則解決了單純SMC控制下逆變器并聯系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)高頻震蕩的問題。仿真研究證明了滑模變結構控制和PI控制進行融合的控制策略的控制性能，仿真結果表明：這種融合控制策略在并機系統(tǒng)穩(wěn)定性、抗擾動能力、逆變單

9、元均流控制上都取得了很好的效果。基于工程應用的需要，在本文提出的新型雙Boost－PFC變換器拓撲結構的基礎上，研究了用于實際UPS電源系統(tǒng)的可以實現市電供電和蓄電池供電切換、具有直流母線預充電功能的主電路，給出了實現鎖相、輸出功率檢測、并聯UPS電源系統(tǒng)的沖擊保護、短路保護、過載保護綜合控制邏輯等功能的硬件電路，滿足了逆變器并聯系III統(tǒng)的沖擊、短路和過載保護要求。在多臺逆變器并聯系統(tǒng)中對上述保護功能進行了詳細的實驗研究，實驗結果證明